Тряска довела время жизни антипузыря до 13 часов

W. Wang et al. / Physical Review Fluids, 2022

Бельгийские и китайские физики смогли довести до 13 часов время жизни антипузырей — так называют сферический слой воздуха, который препятствует смешению двух жидкостей. Ученым удалось добиться этого результата с помощью сильной встряски и слоя обычных пузырей на поверхности жидкости. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids.

При попадании капли одной жидкости в другую они начинают моментально смешиваться в результате броуновского движения молекул. Возможна, однако, иная ситуация, если капля первой жидкости оказывается инкапсулирована тонкой воздушной прослойкой. В этом случае говорят об образовании антипузыря.

Антипузыри рассматриваются учеными в качестве инструмента для реализации идеи смешивания или запуска химической реакции по требованию, когда нужное воздействие на антипузырь разрушает воздушную пленку и инициирует контакт жидкостей. Проблемой при этом стало короткое время жизни антипузырей — всего около минуты, — вызванное гидростатическим выталкиванием воздуха вверх. Физики и химики ищут способы продлить это время: вращение антипузырей в трубках, добавление гидрофобных частиц, а также манипуляции свойствами жидкостей. Механические методы при этом выглядят более предпочтительными из-за своей универсальности и простого контроля.

Стефан Дорболо (Stéphane Dorbolo) из Льежского университета (Бельгия) с коллегами из Китая предложили защищать антипузыри с помощью встряхивания жидкости. Они показали, что, когда антипузыри ускоряются выше некоторого порога, их время жизни достигает 13 часов. Как только вибрация прекращается, антипузырь сразу схлопывается, что можно использовать для запуска реакции по требованию.

Физики проводили эксперимент в плексигласовом контейнере размерами 10×10×15 сантиметров с присоединенным к нему шейкером, который мог трясти контейнер по синусоидальному закону. Жидкость, в которой исследовались антипузыри, представляла собой смесь в пропорции 2 к 1 глицерина и раствора поверхностно-активного вещества Triton X-100 при концентрации, десятикратно большей, чем критическая концентрация мицеллообразования. Смесь обладала вязкостью, равной трем миллипаскаль-секундам, и поверхностным натяжением, равным 30 миллиньютон на метр. Для создания антипузырей ученые сбрасывали капли жидкости над свободной поверхностью смеси, предварительно покрытой мыльной пленкой.

Простое включение вибрации не способствовало увеличению времени жизни антипузырей. Авторы наблюдали скорее обратный эффект из-за возникновения на поверхности фарадеевой ряби. Для борьбы с ней физики покрывали поверхность жидкости множеством пузырей, впрыскивая воздух черед отдельную трубку. Меняя скорость подачи воздуха, они управляли их средним диаметром. Помимо борьбы с волнами Фарадея, пузыри имели еще две функции. Во-первых, они упрощали создание антипузырей, заменяя собой мыльную пленку. Во-вторых, три соседних пузыря образовывали точку локализации для антипузырей (локус), мешая боковому движению с последующим разрушением из-за контактов со стенками контейнера.

Авторы исследовали зависимость числа выживших антипузырей от времени для различных частот и амплитуд колебаний. Оказалось, что во всех случаях она хорошо описывается распределением Вейбулла. Анализ показал, что начиная с некоторого порога по ускорению, которое испытывают антипузыри, их среднее время жизни резко возрастает. Отдельные пузыри демонстрировали время жизни, равное 13 часам.

Чтобы понять механизм этого эффекта, исследователи построили теоретическую модель, описывающую антипузырь, упирающийся в слой пузырей, а также движение воздуха в нем. В состоянии покоя антипузырь лопается под действием гидростатического давления, которое выталкивает воздух в верхнюю часть. Время жизни такого антипузыря определяется скоростью движения воздуха в пленке заданного диаметра. Тряска контейнера и, как следствие, периодическое давление пузырей на антипузырь, создает встречный воздушный поток. Построенная феноменологическая модель оказалась в хорошем согласии с экспериментальными кривыми.

Тринадцать часов — это огромный скачок по отношению к одной минуте. Тем не менее до успехов выживаемости обычных пузырей антипузырям еще далеко. Не так давно мы рассказывали, как глицериновый пузырь продержался больше года при нормальных условиях.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.